Design and implementation of the control hardware for a multi-cell switch-mode power amplifier with fully digital control

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war den Design- und Testprozess einer Multilayer-Leiterplatte zu beschreiben und dokumentieren, die als Hauptsteuereinheit in einem zukünftigen Multizellen-Schaltverstärkersystem verwendet wird. Dieses Verstärkersystem soll eine sehr hohe Leistungsbandbreite aufweisen und wird deshalb in der Arbeit als UHPS-System (”Ultra High Bandwidth Bidirectional AC Power Source”) bezeichnet. Nach einer kurzen Einleitung wird im ersten Kapitel der Arbeit das komplette UHPS-System als Konzept vorgestellt und dessen Funktionsweise genauer beschrieben, um es dem Leser zu ermöglichen, den PCB-Entwurfsprozess der Steuerplatine als wesentliches Bestandteil des gesamten Produkts besser nachzuvollziehen. Das zweite Kapitel der Arbeit beschreibt die Anforderungen an die Steuerplatine (in der Arbeit als PSCB ”Phase Stack Control Board” bezeichnet). Im dritten Abschnitt wird der eigentliche Entwurfsprozess beschrieben, d.h., wie die im zweiten Kapitel beschriebenen Anforderungen im Detail erfüllt bzw. gelöst werden. Das vorletzte, vierte Kapitel widmet sich der Beschreibung von Testprozessen für den ersten Leiterplatten-Prototyp. Der letzte, fünfte Abschnitt gibt eine kurze Zusammenfassung des gesamten Entwurfsprozesses, der Testverfahren, sowie eine Beschreibung der positiven und negativen Aspekte und Erfahrungen mit dem ersten Leiterplatten-Prototyp. Dabei werden auch Vorschläge für Verbesserungen angegeben, die bei der zweiten Phase der Prototypen-Entwicklung berücksichtigt werden sollten.

The aim of the present master thesis was to describe and document the design and test process of a multilayer printed circuit board used as the main control unit in a future multi-cell switch-mode power amplifier system. This amplifier system should have a very high power bandwidth and is therefore denoted as the UHPS system (”Ultra High Bandwidth Bidirectional AC Power Source”). After a brief introduction, the first chapter of the thesis introduces the concept of the complete UHPS system and describes its operation in more detail to enable the reader to better understand the PCB design process of the control board as an integral part of the overall product. The second chapter of the thesis describes the requirements for the control board (referred to in the work as PSCB ”Phase Stack Control Board”). The third section reports the actual design process, that is, how the requirements described in the second chapter are met in detail. The penultimate, fourth chapter deals with the description of test processes for the first circuit board prototype. The final, fifth section gives a brief summary of the entire design process, the test procedures, as well as a description of the positive and negative aspects and experiences with the first circuit board prototype. It also identifies proposals for improvements that should be considered in the second phase of prototype development.